【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光电科学和材料科学领域。具体涉及一种基于拓扑光子结构的硅发光实现方法。
技术介绍
1、硅基光电集成以光子为信息的主要载体,将现有成熟的微电子与光电子技术结合起来,拥有速度快、功耗低、干扰小等优点,已成为超大规模集成电路未来发展的重要方向之一。硅基光电集成系统主要包括硅基光源、soi波导、调制器、光电探测器、封装以及智能化控制等部分。到目前为止,硅基上低损耗的波导、调制器、放大器、光开关、探测器等均已陆续实现,为硅基单片光电集成奠定了基础,唯有单色性好且发光效率高的硅基光源,仍在不断探索之中。
2、目前，国际上实现硅基光源主要途径是硅片上集成ⅲ-ⅴ族化合物半导体发光。硅基ⅲ-ⅴ族混合激光采用外延生长或键合技术，然而ⅲ-ⅴ族材料常与硅衬底存在晶格失配，外延生长易产生高密度位错，且与cmos工艺不兼容；如果采用键合技术，又存在芯片尺寸大、对准困难等难题。因此，尽管目前硅基iii-v族混合光源最接近实际应用，但芯片内的光互连依然没有实现。相比之下，制备硅发光器件更加适用于芯片内部的光互连，与现有的工艺兼容性更好，商业化成本更加低廉。因此，硅发光器件成为现在的研究热点。
3、由于硅是间接带隙半导体，体硅材料发光效率十分低下。近年来，国内外提出了一些方案，比如，硅基拉曼发光、稀土掺杂的硅材料发光、硅锗合金材料发光、纳米硅材料发光等。前三种只能光致发光，无法进行光电集成，其应用为时尚早。而电致发光报道较多的是纳米硅，发光效率也在不断提高，以硅量子点为代表的纳米硅材料被认为是有可能在未来硅基光源中应用的候选
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于拓扑光子结构的硅发光结构，通过将硅量子点技术引入拓扑光子结构中，利用拓扑激光腔产生的角态，使注入发光结构的能量高度集中。其结合了硅量子点技术和拓扑光子结构二者的优势，从而解决了硅量子点发光器件外量子效率低、发光密度小的问题。
2、本专利技术为解决上述问题所采用的技术方案为：
3、一种基于拓扑光子结构的硅发光，硅发光结构由生长在硅基底上的周期性排布的微纳级柱状晶栅和硅基底构成，微纳级柱状晶栅呈周期性排布，作为垂直腔激光阵列。
4、本专利技术的进一步改进在于：相邻的四个微纳级柱状晶栅为一最小单元，按照离中心点的间距大小分为压缩结构与拉伸结构，在压缩结构和拉伸结构的交界处形成拓扑光子发光界面。
5、本专利技术的进一步改进在于：所述的一种基于拓扑光子结构的硅发光结构，每个微纳级柱状晶栅由上下布拉格反射镜与中间硅量子点构成。硅量子点层的厚度为其单个发光波长，通常是350纳米到600纳米。布拉格反射镜的每个光学层的厚度为硅量子点发光中心波长的1/4。每个微纳级别的柱状晶栅高3～7微米，横截面直径1.5～3微米。
6、本专利技术的进一步改进在于：所述的一种基于拓扑光子结构的硅发光结构，通过改变压缩结构区域与拉伸结构区域分布，可以改变拓扑发光界面形状。
7、本专利技术的进一步改进在于：所述的一种基于拓扑光子结构的硅发光结构，通过选用不同规格的硅量子点构建微纳级柱状晶栅，实现不同频率的激发光。
8、本专利技术的进一步改进在于：所述的一种基于拓扑光子结构的硅发光结构，周期性排布的晶栅的形状有圆柱形，三棱柱形等，可以通过选用不同几何形状的微纳级柱状晶栅来满足不同的发光需求。
9、本专利技术的进一步改进在于：微纳级柱状晶栅的周期性排布方式有蜂窝形排布，正方形排布，三角形排布等，可以通过选用不同的几何形状周期性排列来满足不同的发光需求。
10、本专利技术的进一步改进在于：所述的一种基于拓扑光子结构的硅发光结构，通过排列组合不同的微纳级柱状晶栅的形状以及微纳级柱状晶栅的周期性排布方式，以适应不同的发光需求。
11、与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
12、(1)本专利技术具有外量子效率高、发光密度大的优点。且其尺寸微小，能耗低，基于成熟的硅工艺技术，能够集成的范围更广，在通信等领域具有巨大的潜力。
13、(2)本专利技术基于拓扑光子结构，受到拓扑保护，具有低损耗、抗干扰能力强的优点，微小加工缺陷对整体性能影响不大，便于生产加工，提高生产良品率。
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1.一种基于拓扑光子结构的硅发光实现方法，其特征在于：结合了拓扑光子结构与硅量子点发光技术，硅发光结构由生长在硅基底上的周期性排布的微纳级柱状晶栅和硅基底构成，微纳级柱状晶栅呈周期性排布，作为垂直腔激光阵列。
2.如权利要求1所述的一种基于拓扑光子结构的硅发光实现方法，其特征在于：相邻的四个微纳级柱状晶栅为一最小单元，按照离中心点的间距大小分为压缩结构与拉伸结构，两种结构拥有不同的拓扑不变量，使压缩结构和拉伸结构的交界处满足拓扑边缘态，在压缩结构和拉伸结构的交界处形成拓扑光子发光界面。
3.如权利要求1所述的一种基于拓扑光子结构的硅发光实现方法，其特征在于：每个微纳级柱状晶栅由上下布拉格反射镜与中间硅量子点层构成，硅量子点层的厚度为其单个发光波长，每个微纳级别的柱状晶栅高3～7微米，横截面直径1.5～3微米。
4.如权利要求1所述的一种基于拓扑光子结构的硅发光实现方法，其特征在于：通过改变压缩结构区域与拉伸结构区域分布，可以改变拓扑发光界面形状。
5.如权利要求3所述的一种基于拓扑光子结构的硅发光实现方法，其特征在于：每个柱状晶栅的
6.如权利要求3所述的一种基于拓扑光子结构的硅发光实现方法，其特征在于：周期性排布的晶栅的形状有圆柱形，三棱柱形等，可以通过选用不同几何形状的微纳级柱状晶栅来满足不同的发光需求。
7.如权利要求3所述的一种基于拓扑光子结构的硅发光实现方法，其特征在于：微纳级柱状晶栅的周期性排布方式有蜂窝形排布，正方形排布，三角形排布等，可以通过选用不同的几何形状周期性排列来满足不同的发光需求。
8.如权利要求6与权利要求7所述的一种基于拓扑光子结构的硅发光实现方法，其特征在于：通过排列组合不同的微纳级柱状晶栅的形状以及微纳级柱状晶栅的周期性排布方式，以适应不同的发光需求。
...【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑光子结构的硅发光实现方法，其特征在于：结合了拓扑光子结构与硅量子点发光技术，硅发光结构由生长在硅基底上的周期性排布的微纳级柱状晶栅和硅基底构成，微纳级柱状晶栅呈周期性排布，作为垂直腔激光阵列。
2.如权利要求1所述的一种基于拓扑光子结构的硅发光实现方法，其特征在于：相邻的四个微纳级柱状晶栅为一最小单元，按照离中心点的间距大小分为压缩结构与拉伸结构，两种结构拥有不同的拓扑不变量，使压缩结构和拉伸结构的交界处满足拓扑边缘态，在压缩结构和拉伸结构的交界处形成拓扑光子发光界面。
3.如权利要求1所述的一种基于拓扑光子结构的硅发光实现方法，其特征在于：每个微纳级柱状晶栅由上下布拉格反射镜与中间硅量子点层构成，硅量子点层的厚度为其单个发光波长，每个微纳级别的柱状晶栅高3～7微米，横截面直径1.5～3微米。
4.如权利要求1所述的一种基于拓扑光子结构的硅发光实现方法，其特征在于：通过改...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭小伟，陈顺之，李若禺，何逸洲，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：
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